论文《路基土压实度检测技术研究》.doc

长沙理工大学继续教育学院2012届毕业设计（论文） 题目：路基土压实度检测技术研究助学学校：湖南高速铁道职业技术学院考 籍 号：911010200462姓 名：陈鑫伟 指导教师：刘晓文 2012 年 3 月目 录第一章 绪论11. 1问题的提出11. 2振动压实技术的发展21.2.1振动压实技术的发展历程21.2.2压实机械的发展趋势21. 3国内外研究综述31.3.1国外研究综述31.3.2国内研究综述41.4课题的研究意义与主要内容41.4. 1研究意义4第二章 压实度评定方法与压实度连续检测理论52. 1土的物理性质及工程分类52.1.1土的固体颗粒特征62. 1 .2土粒级配分析方法72. 1 .3土粒级配表示方法82. 1. 4无粘性土的密实度92.1.5粘性土的物理特征92. 2路基压实102. 2. 1压实度的概念102.2.2影响压实因素101)含水量112)土类和级配113)击实功能114)振幅、振动频率对压实度的影响115)振动压路机工作速度对压实效果的影响126)振动压路机行驶方向对压实度的影响122. 3传统压实度评定方法122. 3. 1破坏性试验评定方法121)灌砂法132)水袋法133)环刀法132.3.2非破坏性试验评定方法132. 4传统压实度评定方法存在的不足142. 5压实的基本过程142. 5. 1静作用压实152.5.2搓揉压实152.5.3振动压实152. 5. 4夯实和冲击压实162. 6振动压路机的工作原理162. 6. 1振动压实理论17第三章路基土压实度检测试验及分析173. 1试验方案173. 2系统标定试验183. 3灌砂法测压实度183.4检测结果分析193.5结论及误差分析19第四章结论与展望204. 1主要结论20 22 / 25第1章 绪论1. 1问题的提出 随着我国公路建设的快速发展，更多的高等级公路正在建设和准备建设中。在公路施工中，压实是至关重要的一道工序，压实度是否合格是判定工程质量优劣的一条重要标准。无论路基、底基层、基层和面层都需要很好的压实，以达到一定的密实度，提高道路的承载能力，并防止沉陷，水分渗透等。随着交通运输量的迅速扩大，公路建设的进一步发展，施工部门对压实机械和压实工作提出了越来越高的要求。通常，压实工作占施工项目费用的2%,设备占工程造价的0. 2%,而密实度每提高1%，基础承载能力就提高10%，特别是沥青混凝土密实度每提高1%，承载能力和寿命可提高10-15%，压实工作的重要性显而易见。 同日寸，公路建设的质量问题也越来越引起人们的重视。路面达不到设计的使用寿命，出现早期破坏的事情时有发生，而压实程度不够是造成路面早期破坏的主要原因之一。公路路面的投资费用往往占工程总投资的30%-50%，特别是高等级公路，其路面的投资比重更大。因此，路面过早破坏在经济上造成的损失是非常巨大的。除了加强路面工程的管理，在技术上按标准要求控制路基、路面的压实是保证路面质量最经济有效的措施之一。 国内外的工程实践和试验研究都早已证明，在路基路面结构层施工时，必须采用施工机械进行认真压实，这样才能提高路基、路面结构层和路面整体的强度，增加其稳定性，以便减少甚至避免路面可能产生的多种早期损坏现象，从而大大提高路面的使用性能和使用寿命。若路基、底基层或面层材料压实不足，在使用过程中，路面达不到一定的强度，在荷载作用下就会产生剪切破坏，如:辙槽、裂缝、沉陷等。可见，进行有效充分的压实对公路建设有着重要的意义。 压实作业是使路基和路面各结构材料获得足够密实度的重要环节，采用行之有效的压实度检测方法是对其实行监控的重要手段。由于压过程控制不当，在施工中经常出现下列问题:压实遍数不够，达不到规定的压实度，因而要重新压实，影响工期;压实遍数过多，既不经济又可能导致压实度降低，同时也是对人力、物力的浪费。传统的检测方法有灌砂法、环刀法及核子密实度仪法等。采用传统方法检测，在压实过程中不能测量和评估压实状态，只能在压实结束后采取少量的试样材料进行试验，代表性差，描述粗糙;而且试验过程中有时需要做大量的工作，费用昂贵，时间较长。此外，上述传统方法均属于抽样检测方法，很难反映道路上每一点的压实情况。在具体施工中，可能在部分区段，由于材料级配不合理，或材料1内水分的含量过高或过低而产生材料压实度的“薄弱点”。采用这些传统的检测方法往往会造成“薄弱点”漏检现象，形成道路质量的内在隐患。 可见，为了对压实过程实时控制，保证每个施工段以最少的碾压遍数达到施工要求的标准，让工程施工人员和监理人员及时掌握施工现状，开发研究路基土压实度连续检测技术是很有必要的。而在现代化路基路面施工中，压实机械又是压实度最直接的控制者。因此，对压实机械的压实度进行连续检测的技术是评价压实效果的重中之重。1. 2振动压实技术的发展1.2.1振动压实技术的发展历程压实机械的应用起源十我国。早在1000多年以前的隋唐时期就出现了压路机的最早雏形一一使用了人力或畜力拖动的石硫压实地面。但是最先把振动方法应用于土体基础的压实是德国的劳中豪森(Losenhousen)公司1930年研制出的振动平板压实机。随后欧美一些国家相继推出了拖式振动压路机、自行式振动压路机、双钢轮振动压路机等机型。新的压路机不仅压实厚度深，效果好，而且速度快，生产效率高，使振动压实技术有了很大进步。 到了20世纪60年代，国外大中型振动压路机已经采用了液压技术，全液压化使得压路机结构简单、布置方便、操作省力。随着液压传动和液压控制技术的发展，出现了调频调幅式振动压路机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础。 计算机技术、微电子技术、传感技术、测试技术的迅速发展，推动了压路机机电一体化的进程。这些新技术的应用提高了机器性能和生产率，保证了压实质量。到目前为止，振动压路机以无可比拟的优势，占据全球压路机市场销售总额的85%。1.2.2压实机械的发展趋势 随着现代新技术革命的兴起，特别是微电子技术、计算机技术和自动控制技术等的迅速发展，引导着压实机械向着自动化、智能化的方向发展。 1)压实过程监测技术 由于传统的压实监测方法存在很大的缺点，早在20世纪60年代初就有人提出了利用振动部件与基础之间相互作用的动力特性来判断压实进程的设想。这种方法的原理是建立在当地面在振动部件的作用下逐步压实时，地面与机器系统的动力特性也在变化，这种变化将指示出地面承压能力变化的相对数值，从而也反映了地面被压实的程度。将这一思想变为现实并成功用十压路机上的一种压实度监测装置是德国的BTM压实计。其BTMOS型计算机压实控制测量系统，可以进行连续和实时测量并处理压实过程中压实度的变化情况，可显示或打印出压实层剖面各点的压实质量。在此基础上又开发出可与微机相连的离线处理系统BCM03, 数据经处理后可绘制出整个压实地区的压实质量图。 2)压实机械的智能化技术 在压实过程和机器工作状态实时监测的基础上，压实机械进一步向智能化方向发展。将自适应和自学习技术引入压实控制中，并在此基础上实现压实作业的最优控制。通过一段时间的压实实践，压路机会自动对压实作业的各项参数(频率、振幅、速度和压实遍数)进行不同组合，并判断压实效果，从而决定最优控制方案。当被压材料的性质发生变化时，它会不断的改变自身的参数，自动适应现场状况的变化，使压实作业始终在良好的条件下进行。 另外，电脑将普遍应用在压实机械上，用以对工作过程的监测、机器技术状态的诊断、报警和故障分析。人工智能的引入将大大改善机器的维修保养工作，并加速它们的现代化进程。 3)压实过程的自动控制技术 在自动控制方面，压路机主要用于根据土质条件自动进行振幅和压实能量的输出。由于地面接触力随着压实强度的变化而变化，钢轮的振动方向根据系统内的加速度传感器连续测试钢轮的动态特性，并通过记录评估这些数据，进而使振动方向在水平和垂直方向之间自动进行调整。 压路机上自动控制技术的另一个应用是自动滑转控制系统，简称ASC (AntiSlip Control)。该系统通过监测振动轮和胶轮之间的滑转，借助于液压驱动系统的流量，来提供最佳的牵引条件，避免设备停顿或下滑，安装该系统的压路机爬坡能力高达68%。 4)压实过程全球定位系统 全球定位系统，简称MSGPS(Measuring System Global Positioning System)。系统由微机、触摸屏和专门开发的CAD软件所组成。通过此系统，压路机的位置可以被精确的记录下来，并能确定压实的位置和保证压实质量。通过精确无误的跟踪压路机所处的位置，特别是当压路机偏离出压实区域的范围时，通过清晰地反映在显示器上的测定结果，可以及时帮助驾驶员在保持压路机行进状态下纠正错误，从而使压实位置和压实质量得到保证。 5)压实机械辅助选择技术 该技术可以根据压实过程的工作量、现场条件、材料特性、葡氏压实曲线以及所要求的压实度来选择压实机械的配置方案，对每种方案均可提供各种使用参数的选用建议，包括压轮类型、振幅和振频、摊铺厚度和铺层数、每层压实带的安排、碾压速度和遍数以及压实生产率和压实时间的确定。 6)压实过程的计算机仿真技术 在压实理论和技术的研究中，实验研究与计算机仿真技术的结合将成为更加重要的研究手段。瑞典Geodynamik技术咨询公司开发的一种振动压实过程的计算机仿真软件，建立了一种土壤动力学模型，将土壤最基本的物理力学特性:土壤的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦系数作为计算机仿真模型的输入参数，通过不同的土壤条件和不同的机械参数下模拟滚轮与土壤相互作用的动力学特性，对现有振动压路机的压实性能进行评价和对设计的新机型进行性能预测。1. 3国内外研究综述1.3.1国外研究综述早在20世纪七十年代，瑞典、德国等国家就针对上述问题，开始研究利用振动轮振动加速度在压实过程中的变化规律，寻求探索检测路面压实的各种方法。八十年代中期，瑞典DYNAPAC公司和德国BOMAG公司开始研制压实度仪，并做了大量的试验研究，产品按原理大致有两种: 一种是德国BOMAG研制出BTM动态土壤压实度仪系列产品。它的工作原理是通过检测振动轮上的振动加速度信号，得出压实土壤的阻抗值，从而反映土壤的压实状态。大体上，对于相同的材料，压实越好，阻抗值越高。当大到一定程度，阻抗值增量趋近于零时，表示压实过程结束。这套系统主要由加速度传感器，微处理器，仪表招盘和打印机等构成。 其二是瑞典DYNAPAC公司与Geodynamik公司共同开发的压实度仪。它的工作原理是通过安装在振动压路机上的加速度传感器，检取系统在振动激励下的响应信号，通过滤波器和信号的傅立叶变换，得出振动信号的基波和二次谐波分量，然后用二次谐波与基波的比值来反映压实的程度。土壤压实程度越好，谐波的畸变程度越严重，谐波分量也越大，其比值也越大。当这个比值与事先标定值接近到一定程度时，说明压实过程可以结束。在压实过程中可将记录信息进行分析，并能够将其作为结果在屏幕上显示出来。压实程度低于预设值范围的区域以红色显示出来，个别压实过程可以用曲线的形式表示出来，并与不同的压实过程相比较。1.3.2国内研究综述 九十年代初，国内某些厂家对随车压实度检测方法进行了探索研究，并研制出了几种压实度仪。徐州工程机械厂与宝应四明有限公司研制的SMC-960A密实度测量仪，由传感器、测量分析仪、数据采集器和打印机等四部分组成。通过加速度传感器检取压路机振动轮上的振动加速度信号，转换为电信号，经放大电路放大后送入滤波电路。两个滤波器分别将信号基波和二次谐波分量选出，并且各自经过线性变换和压频转换，再经过除法电路算出谐波分量与基波分量的比值，最后在显示器上显示出土壤的密实度。 水利水电科学研究院研制的YS-1压实度仪工作原理与上述一样，即利用谐波与基波的比值反映土壤密实度的大小。它在进行数据处理时，采用取平均值的方法。同时，根据振动压路机振动频率的工作范围，设计了频率选择开关，以满足不同振动频率的工作要求。苏州市交通研究所研制开发了MSY-100型压实度比较仪，它是从力平衡角度分析振动压路机对土壤压实的工作原理。在土壤颗粒性质、直径、级配、含水量等一定的条件下，土壤颗粒比较松软时，土壤强度比较低，其弹性模量比较小，对振动轮的反力也较小;反之，对振动轮的反力就比较大，加速度与振动轮反力有线性关系，而反力与土壤密实度有良好的相关关系，所以加速度的变化正是反映了土壤的压实程度。这些研究开发对国外测量原理进行了验证，但由于受到多方面因素的制约，到目前为止，国内还没有完全适合压路机随车检测用的理想检测仪。因此，如何将压实度仪应用在各种不同的振动压路机上，适应于各种不同的土壤条件，提高测量的精确性，仍需要作新的尝试和研究。1.4课题的研究意义与主要内容1.4. 1研究意义 在西部大开发过程中，交通基础建设是各地的先行举措，我国规划在西部地区修筑的公路里程达到了35万公里。公路行业对填土路基的压实标准规定较为全面，对高速公路规定，路基顶面以下80cm以内压实度要达到95% , 80cm以下150cm以上要达到93%。目前公路路基的压实度检验仍主要采用灌砂法、环刀法等方法，这些传统的检测手段效率低，且会对路面结构层造成破坏，核子密度仪法因放射性防护问题而使用不便。压实度连续检测技术作为一种公路质量无损检测的新技术，可以使工作人员在压实过程中实时检测压实状况、控制压实质量，从而保证路基路面在最少碾压遍数下得到充分压实，避免压实不足或过分压实等现象。这样，既能节省人力、缩短工期，又可以在保证施工质量的基础上加快施工进度，具有明显的社会效益和经济效益。同时，此技术的基本理论涉及土动力学、弹性动力学、机械理论、数字电路、模拟电路、数字信号处理等学科，内容丰富，具有相当的理论研究价值。1.4.2主要内容 本课题的主要研究内容有: 1)分析研究土壤含水量及振动压路机振动频率、行驶速度对压实度值测量的影响;分析传统压实度检测方法存在的不足，提出应用随车压实度连续检测方法来实现对土壤压实度的控制。 2)分析研究振动压路机振动加速度信号与土壤压实度之间的相互关系，从而得到压实度连续检测的方法。 3)建立起“振动压路机一土壤”系统动力学模型，并基于Matlab/Simulink对动力学模型进行了仿真研究。 4)分析研究激振信号的处理方法;分析激振信号的噪声及其对信号的影响，确定振动压路机施工工况下激振信号的采样频率、滤波器的类型、频谱变换的算法、FFT变换块的大小及窗函数的类型。 5)通过实验室和现场试验，用压实度检测系统对信号进行采集、分析，确定加速度传感器最佳安装位置，确定压实度值的信号反映方法，提出切实可用的压实度标定回归公式，为压实度连续检测技术的产品化铺平道路。第2章 压实度评定方法与压实度连续检测理论 通过对路基路面的充分压实，可以提高公路建设的质量，延长公路的使用寿命，对公路建设有着重要意义，而采用行之有效的压实度检测方法则是对其实行监控的重要手段。本章从路基土壤的结构特征入手给出了路基路面压实的相关概念，分析了土壤压实的机理、压实的几种基本方法、影响压实的几个因素及传统的压实度检测方法，分析了传统压实度检测方法存在的不足;由此提出了压实度连续检测技术的方法，并且分析了振动压路机的工作原理及压实机理，建立了振动轮-土壤系统动力学模型和系统动力学方程，由此提出了振动轮加速度与压实度之间的相关关系是压实度连续检测技术的最根本的理论基础。2. 1土的物理性质及工程分类 土是由连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的没有粘结或弱粘结的沉积物。土经历压缩固结、胶结硬化，也可再生成岩石(指沉积岩类)。在漫长的地质年代中，由于种内力和外力地质作用形成了许多类型的岩石和土。基岩经历风化、剥蚀、搬运、沉积生成各类覆盖土。所谓基岩是指原位的各类岩石，其在水平和竖直两个方向延伸很大;所谓覆盖土是指岩石风化产物覆盖于基岩之上的各类土的总称。在自然界中，土直观上呈一种松散状的颗粒堆积物。土由固体颗粒、水和气体二部分组成的二相体系。固体部分即固体颗粒，一般有矿物质所组成，有时含有有机质。这一部分构成土的骨架，称为土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，这些空隙有时完全被水充满，称为饱和土;有时一部分被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土;有时也可能完全充满气体，称为干土。水和溶于的物质构成土的液体部分，空气及其他一些气体构成土的气体部分。这二部分本身的性质以及他们之间的比例关系和相互作用决定了土的物理力学性质。2.1.1土的固体颗粒特征固体颗粒构成的土骨架对土的物理性质起决定性作用。天然土是由大小不同的颗粒组成的，土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。土粒的大小称为粒度，通常以粒径来表示。土颗粒的大小相差悬殊，有大于几十厘米的漂石也有小于几微米的胶粒，同时由十土粒的形状往往是不规则的，很难直接测量土粒的大小，故只能用间接的方法来定量地描述土粒的大小及各种颗粒的相对含量。常用的方法有两种，对粒径大于0. 075mm的土粒常用筛分析的方法，且对小于0. 075mm的土粒则用沉降分析的方法。工程上常用不同粒径颗粒的相对含量来描述土的颗粒组成情况，这种指标称为粒度成分。 天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述方便常把大小相近的颗粒合并为组，称为粒组。各个粒组随着分界尺寸的不同，而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土的粒组划分方法各行业部门并不完全一致，建筑地基基础设计规范CGBJ7-89)和岩土工程勘察规范CGB50021-94）将砂粒粒组与粉粒粒组的界限从0. 05mm改为0. 075mm。我国上述规范采用的粒组划分标准见表2. l o土的工程分类标准(GBJ145-90)和公路土工试验规程(JTJ051-93)在砂粒粒组与粉粒粒组的界限上取与上述规范相同的标准，但将卵石粒组与砾石粒组界限改为60mm，其粒组划分标准见表2. 2 0表2. 1粒组划分标准(GB50021-94)Tab 2.1 Grains of standards(GB50021-94) 表2. 2粒组划分标准Tab 2.2 Grains of standards土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(是指土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数)来表示，称为土的颗粒级配或粒度成分。2. 1 .2土粒级配分析方法 粒度成分分析的目的在于确定土中各粒组颗粒的相对含量。土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验确定的，对于粒径大于0. 075mm、小十等于60mm的粗粒组，可采用筛分法;而对于粒径小于0. 075的细粒组，则必须采用沉降分析法。当土中兼含大于0. 075的土粒时，两类分析方法可联合使用。沉降分析法有密度计法(比重计法)、移液管法等。 筛分法试验是将风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛，称出留在各个筛子上的干土重，即可求得各个粒组的相对含量。通过计算可得到小于筛孔直径土粒的累积质量和累积百分含量。 沉降分析法的理论基础是土粒在水中的沉降原理，根据土粒在悬液中沉降速度与粒径的平方成正比的stokes公式来确定各粒组相对含量的方法。但实际上，土粒并不是球形颗粒，因此用上述公式计算的并不是实际土粒的尺寸，而是与实际土粒有相同沉降速度的理想球体的直径，称为水力直径。 用沉降分析法测定粒度成分时，将一定质量(ms)的干土制成一定体积(v的悬液，在搅拌均匀并停止搅拌时开始计时，经一定时间（ti）在液面下某个深度（Li）测定该深度处悬液的密度(i)。则根据stokes公式，在此深度处的最大粒径（di）及小于等于此粒径的土粒质量（msi）可由下式求得 则悬液中粒径小十等于di(mm)的土粒质量msi占土粒总质量ms的累积百分比(%)为: 沉降分析时测定悬液密度的方法有比重计法和移液管法两种，在不同的时间间隔测定悬液的密度，即可得到不同的粒径及其对应的累积百分含量。2. 1 .3土粒级配表示方法根据土粒级配分析结果，常采用累计曲线法表示土的颗粒级配。该法是比较全面和通用的一种图解法，适用十几种土级配好坏的相对比较。累计曲线法通常用半对数纸绘制，横坐标为粒径，纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量。由累计曲线图的坡度可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良好。如曲线较陡，表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，级配不良;反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。 根据描述级配的累积曲线，可以简单的确定土粒级配的两个定量指标，即:不均匀系数Cu和曲率系数Cc，定义如下:式中，d60, d30, d10-分别相当十小十某粒径土质量累计百分含量为60%, 30%,10%对应的粒径，分别称为限制粒径、中值粒径和有效粒径。不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况，即土粒大小的均匀程度。Cu越大表示粒度的分布范围越大，土粒越不均匀，其级配越良好。曲率系数Cc描写的是累计曲线分布的整体形态，表示某粒组是否缺失的情况，反映了限制粒径d60。与有效粒径d10。之间各粒组含量的分布情况。工程上把Cu10的土，属级配良好。对十级配连续的土，采用单一的指标Cu，即可达到比较满意的判别结果。但缺乏中间粒径的土，即级配不连续，累计曲线上呈现台阶状，再采用单一指标Cu则难以有效判定土的级配好坏。当同时满足Cu5和Cc=13两个指标时，土为级配良好土，易获得较高的密实度，具有较小的压缩性和较高的强度，工程性质良好;如不能同时满足，则为级配不良土，不易获得较高的密实度，工程性质不良。为进一步研究土的松紧和软硬，下面分为两大类土进行描述。2. 1. 4无粘性土的密实度无粘性土一般是指粗粒土(砂类土和砾类土)。粗粒土中一般粘粒含量甚少，不具有可塑性，呈单粒结构，其物理性质主要决定于土的密实程度。 砂砾类土密实度在一定程度上可根据天然孔隙比e的大小来评定。但对十级配相差较大的不同类土，则天然孔隙比e难以有效判定密实度的相对高低。例如就某一确定的天然孔隙比，级配不良的土，根据该孔隙比可判定为密实状态;而对十级配良好的土，同样具有这一孔隙比，则可能判为中密或稍密状态。因此，为了合理判定砂类土的密实度状态，在工程上提出了相对密实度Dr的概念。Dr定义为:式中e一现场无粘性土的天然孔隙比; emax,3x一土的最大孔隙比; emin，一土的最小孔隙比。 当Dr=0，表示砂土处于最松散状态;当Dr=1，表示砂土处于最密实状态。砂砾类土密实度的划分标准如表2-3所示。2.1.5粘性土的物理特征 粘性土的颗粒很细，粘粒粒径d0. 005mm，细土粒周围形成电场，电分子力吸引水分子定向排列，形成粘结水膜。土粒与土中水相互作用很显著。同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处十固态、半固态、可塑状态及流动状态，其界限含水量分别为缩限(Ws)、塑限(Wp)和液限(WL)。所谓可塑状态，就是当粘性土在其含水量范围类，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状，土的这种性能叫可塑性。 塑性指数工。定义为: 工P= WL-Wp ( 2. 7 ) 塑性指数越大，土从液限到塑限含水量的变化范围越大，土能吸附结合水多，土的可塑性越好。液性指数工。定义为: 液性指数又称相对稠度，反映土的软硬不同。当土的天然含水量、:时，工,wL:时，工L0，土处十流动状态;当、在wL与wp之间时，即工L在0到1之间，则土处十可塑状态。因此可用液性指数工L表示粘性土所处的软硬状态。工。值越大，土质越软;反之，土质越硬。岩土工程勘察规范(GB50021-94)的划分标准如下:2. 2路基压实2. 2. 1压实度的概念 压实度是指土或路面材料压实后的干密度与该土或材料的标准干密度之比，常用百分数表示。压实度值是反映施工质量的一个重要指标，通过对颗粒的压实，确保道路的使用寿命，使之发挥最大的经济效益。如设压实度为8、实际干密度为/1、标准干密度为/z，则2.2.2影响压实因素 振动压路机对被压材料的压实过程是个很复杂的随机过程，由于被压材料的物理特性具有很大的随机性，即使是同一种材料，在被压时的初始状态、环境温度和湿度不同，其压实度也有很大的区别，影响压实度的因素很多，主要有以下几种:含水量、土类和级配、击实功、振动压路机的振幅、频率、工作速度和行驶方向。 1)含水量 土的含水量是指土在100105下烘至恒重时所失去的水分重量与达到恒重时干土重量的比值。土中含水量对压实效果的影响比较显著。当含水量较小时，由于颗粒间引力(可能还包括毛细管引力)使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构，土中孔隙大都互相连通，水少而气多，在一定的外部压力作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于水膜润滑作用不明显以及外部功能不足以克服颗粒间引力，土粒相对移动不容易，导致压实效果比较差;含水量逐渐增大时，水膜变厚，引力缩小，水膜又起着润滑作用，外部压力比较容易使土粒移动，压实效果渐佳;土中含水量过大时，孔隙中出现了自由水，压力不可能使气体排出，压力的一部分被自由水所抵消，减小了有效压力，压实效果反而降低;可见，只有在最佳含水量的情况下压实效果最好。由重型击实试验可得到土样的最大干密度和最佳含水量，最佳含水量是施工控制的重要依据，最大干密度则是现场压实度的标准。 2)土类和级配 在相同击实功条件下，不同土类及级配的压实性是不一样的。级配良好的土易于压实，反之，则不易压实，这是因为级配良好的土有足够的细粒去填充粗粒形成的空隙，因而获得较高的干密度，而级配不良的土则正好相反，较粗土粒形成的空隙缺少足够的细土粒去填充，所以其干密度较小。 不同土类的压实性也是不一样的，试验表明，同样含水率的情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难以压实。对于无粘性土，含水率的影响没有粘性土那样敏感，但在含水率较大时能得到较大的干密度，因此在实际工程中，通常需要不断洒水使其在较高含水率下压实 3)击实功能 对于同一种土，加大击实功能，能克服较大的粒间阻力，会使土的最大干密度增加，而最佳含水量减小，但靠增大击实功能来提高土的最大干密度是有一定限度的，当含水率较低时击数次数的多少影响较显著，当含水率较高时，含水率与干密度关系曲线趋近十饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的;同时，含水率过低和过高都是不利的，都会影响到路基的稳定性。 4)振幅、振动频率对压实度的影响 振动压路机的振动频率是影响材料颗粒运动状态的重要参数，它反映了单位时间内振动轮对被压材料的冲击次数。当振动频率选择在合适的范围内时，随着振动轮的振动，被压材料的颗粒运动加速度增大，其内摩擦阻力急剧下降，颗粒之间的相互填充作用加强，这时振动轮受到的材料的抗剪作用也急剧减小，非常有利于压实。在实际中，不同的被压实材料，其适合于压实的振动频率范围相差较大，这就要求振动压路机具有较大的振动频率范围，以适应不同压实材料的要求，一般振动压路机的振动频率在3050Hz的范围内。 振动压路机的振幅反映振动轮对被压实材料的冲击能量的大小。振幅越大，被压实材料颗粒运动的位移越大，参加振动的材料颗粒越多。振动轮对材料的冲击能越大，振动冲击波在材料中传播的距离越远，从而增加压实深度或压实厚度，压实效果越好，压实度值也越大。但是振幅也有一个合适的范围，过大的振幅会使振动轮脱离地面，也就是一般所说的“跳振”，使表层受到严重不规则冲击、揉搓和过度碾压，这样多余的能量不仅不会被碾压层的土或材料吸收，反而会使己压实表面层产生松散现象，从而引起压实度降低，这是施工中应该避免的问题。 5)振动压路机工作速度对压实效果的影响 工作速度是指振动压路机在进行压实作业时的行走速度，主要影响被压材料单位面积上吸收的振动能量，它对被压材料所能达到的压实度和平整度也有着显著的影响。试验表明。在相同碾压遍数下，工作速度越高，压实度越小，反之，工作速度降低，压实效果增强;但工作速度的降低意味着生产率的降低，因而要达到规定的压实度，又要保持较高的生产率，就必须合理选择工作速度和碾压遍数。 6)振动压路机行驶方向对压实度的影响 振动压路机工作时振动轮是向前向后往复连续滚压的，由十运行方向的改变，对压实度也有着显著的影响。实践表明，为了得到较好的压实效果，即得到大一点的压实度，振动压路机的偏心块旋转方向最好保持与压路机运行方向保持一致，这一点在最后一节做了详细分析。2. 3传统压实度评定方法 传统的压实度评定方法可以大致分为破坏性试验评定方法和非破坏性试验评定方法。2. 3. 1破坏性试验评定方法 所谓破坏性试验，是指在测量土层或材料层的密实度和含水量之前，需要对被测量层进行一定程度的破坏，以采取样品。常用的破坏性试验主要有二种一一灌砂法、水袋法、环刀法，下面将对这二种方法进行简单介绍。 1)灌砂法 先在拟测量密实度的地点挖掘一个圆形试洞，洞深通常应等十碾压层的厚度。在挖洞过程中，应使洞壁尽可能垂直，避免洞径上大下小。仔细收集洞中挖出的全部土或材料，勿使丢失，并采取措施保护其含水量不受损失。及时称取洞中挖出的全部土或材料的质量，并取部分有代表性的样品做含水量试验用。剩下的重要一步是测量试洞容积，确定所挖出的全部土或材料的体积。 灌砂法即用均匀颗粒(或单一颗粒)的砂，由一定高度下落到规定容积的筒或洞内，根据其单位质量不变的原理，来测量试洞的容积。用试洞的容积代表洞中取出材料的体积。 2)水袋法 先在拟测量密实度的位置挖掘一个圆形试洞，对洞深的要求以及对称量洞中挖出的土或材料和取样品测量含水量的要求，均与上述灌砂法相同。测量试洞的容积时，将水袋法中使用的薄橡皮袋放入试洞内，在规定压力下将水压入橡皮袋中，使橡皮袋扩张到与试洞底和试洞壁相接触，根据所用水量确定试洞体积。 3)环刀法 采用环刀法测试前，先清除干净试验地点表面未压实土层，并将压实土层铲平一部分;根据土质干湿和紧密程度的不同，采用直接压入法、落锤打入法或手锤打入法将环刀压入或打入到土中;然后将环刀及土样挖出，称量环刀与湿土重、环刀重，自环刀中取出具有代表性的试样测定其密实度。 环刀法是较简单和较快捷的一种试验方法，但它的破坏性较灌砂法和水袋法大得多。此外，环刀法只能用十测定不含砾石或碎石的细粒土的现场密实度，测量结果的准确度和精确度受较多的因素影响。 用上述二种方法测得的密度，都是某一深度范围内的平均密度。用前两种方法测得的密度是试洞深度范围内的平均密度，通常试洞的深度等于碾压层的厚度。国内使用的环刀高度通常约50mm，环刀法所得密度仅是它所取土样所在高度范围内土的平均密度，不能代表整个碾压层的平均密度。由于碾压后，土层的密实度是从上到下减小的，而且顶部与底部的密实度相差很大。因此，用环刀法测定土的密实度，如环刀是从顶面往下取土的，则所得密度将偏大;如环刀取的是底部的土，则所得的密度或计算的压实度将明显偏小。2.3.2非破坏性试验评定方法 非破坏性试验使用的仪器是各种核子仪。它利用放射性兀素(通常是Y射线)测量路基土或路面结构层材料的密度，利用中子来测量它们的含水量。放射性射线穿过物质时要发生衰减，其衰减量的大小与物质的密度成正比，这样通过测量放射性射线的衰减量可以反推物质的密度，故又称Y射线法。 核子法的特点是:测量速度快，需要的人员少;方便，操作人员不必费力挖坑取大块试样称重;无损，不破坏土的结构，一些无规律的测定值可被立即发现并对其进行检验;可用于测量各种土(包括冻土)和路面材料的密度以及它们的含水量。核子法适用于现场用核子密度仪以散射法或直接透射法测定路基或路面材料的密度和含水量，并计算施工压实度。适用于施工质量的现场快速评定，可用作仲裁试验或评定验收试验. 按照职业健康管理体系(GB/T28001-2001标准)要求对操作人员应进行防护，避免长期使用对人体造成的辐射伤害。 虽然核子法比上述二种方法的优点多，特别是在连续进行控制施工质量的工作中。但该方法价格高，使用环境条件要求高，此外超标的放射性物质对人体有害，一旦发生问题还会对环境造成污染;而且使用插入式核子仪同样也会破坏土层的结构。2. 4传统压实度评定方法存在的不足 通过上面对各种传统压实度检测方法的简要分析，可知用传统的方法检测压实度存在着以下问题: 1)破坏性试验评定方法采取样品时，需要熟练的手工操作如挖坑、称重等，同日寸也破坏了土层结构; 2)非破坏性试验评定方法一一核子仪测定会对工作人员的身体造成一定的损害，一旦发生问题还会造成严重的环境污染; 3)用传统测定方法在压实过程中不能测量和评估压实状态，只能在碾压结束后进行检测，对压实不足的路段很难及时发现，从而引起返工、拖延工期，当压实遍数过多时，则白白浪费施工进度，甚至会振松已压实的材料; 4)传统测定方法只取少量的试样材料，由于采样量有限，通常只占被压实材料1很少的一部分，缺乏代表性，因此不可能提供压实质量的全面信息，而公路筑路材料复杂，这样就极容易出现低质量路段漏检; 5)传统测定方法对压实结果的描绘比较粗糙; 6)用传统测定方法做试验时需要做大量的工作，费用昂贵，时间较长。 针对以上问题，为了能对压实作业进行实时连续控制，保证每个施工工段以最少的碾压遍数达到施工要求的标准，开发研制一种能连续检测土壤压实程度的压实度测量系统很有必要。2. 5压实的基本过程 压实是通过施加外力使被压材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗粒产生运动并重新组合，强迫排出积在颗粒间的空气，粗颗粒土中的水被排出。有效的压实，使得被压材料的压缩系数大大降低，支承能力提高，沉陷减小。在提高土的压实度的同时获得较高的剪切强度。压实后，土的剪切强度大约能提高40%,因而大大提高了被压材料的承载能力，降低了渗水性。 为了追求好的压实效果和高的压实效率，人们一直在孜孜不倦地探索新的压实方法和压实技术。到目前为止，现代压实技术所采用的压实方法可以归纳为以下四种:静作用压实、搓揉压实、振动压实、夯实和冲击压实。2. 5. 1静作用压实 将重物置于被压材料的表面，利用重物的重力，对被压材料施加垂直压力作用，使被压材料内部产生相应的法向应力和剪切应力，当剪切应力达到材料的抗剪强度时，材料的颗粒之间就会发生相对滑移，重新排列而且变得更加密实。光轮压路机和轮胎压路机，靠自身重量压实土壤，都属于静作用压实。 为了获得较高的压实度，必须促使土颗粒位移或运动，以达到土的结构紧密的目的。但是，仅依靠静载荷(自重)压实土壤，颗粒之间的摩擦力阻止颗粒进行大范围的移动。随着静载荷的增加，颗粒间的摩擦力也增加。因此，静作用压实，有一个极限的压实效果和影响深度，无限地增加静载荷，也不能得到相应的压实效果，反而会破坏了表层土的结构。2.5.2搓揉压实 在搓揉压实中，搓是利用对被压材料表层施以水平方向的反复交变的作用力，使被压材料表层颗粒产生相对滑移，重新排列而变得致密;揉是一种压入作用，它依靠对被压材料局部施加很大的垂直压力，使压头直接剪切侧面材料，破坏压头下方局部材料与被作用材料整体之间的联系，使之受到很大压缩而且变得密实。总的来说，这种搓揉作用力的作用深度较浅，仅在表层某一范围内传递，但其可获得较高的表面压实度和表面平整度。2.5.3振动压实 振动压实采用快速、连续地反复冲击土的方式工作。压力波从土的表面向深处传播，土颗粒处于振动状态，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在这种状态下，小的土颗粒充填到大颗粒土的孔隙中，土处于容积尽量小的状态。 振动压路机在作业时，由十振动轮的振动使其对地面作用一个往复冲击力。振动轮每对地面冲击一次，被压实的材料中就产生一个冲击波。同时，这个冲击波在被压的材料内沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产生和持续扩散。被压材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的状态变为运动状态。被压实材料颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时，由于材料中水分的离析作用，使材料颗粒的外围包围一层水膜。形成颗粒运动的润滑剂。颗粒间的摩擦阻力将大幅度下降，为颗粒的运动创造了十分有利的条件。被压实材料在冲击波的作用下产生运动，带来了颗粒间的初始位置的变化，并由此而产生互相填充间隙的现象，颗粒之间的间隙减小。较大颗粒之间的间隙由较小的颗粒所填充，被压实材料的密实度提高，从而压实度也提高了。同时，颗粒之间的紧密接触也增大了被压材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力也随之提高。 如果以表示土的压实度，则与振动压路机的振动参数和工作参数有下列函数关系: 式中:PL一一振动压路机振动轮的线载荷(N/cm); A一一振动压路机工作振幅(mm); 一一振动压路机工作频率(角频率); 一一振动压路机的工作速度(m/s) 为克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够大的线载荷几和振幅A。载荷越大，作用在被压实的土表面上的正压力也越大，从而越容易破坏由土颗粒之间的粘聚力和吸附力形成的抗剪切强度。振动轮振幅越大，土颗粒运动的位移越大，土颗粒间的粘聚力越容易被破坏，土就容易被压实。 振动压路机的工作频率是影响土颗粒运动状态的重要参数。当工作频率靠近“压路机一土”的振动系统的固有频率时，土的颗粒运动加速度增大，其内摩擦阻力急剧下降，土的颗粒之间的相互填充作用加强。这时土仿佛处于流动状态。为了便于理解，将这种内摩擦阻力急剧下降，仿佛处于流动状态下土的状态称为“土的液化”现象。土处于“液化”状态时，有些物料，例如纯干性水泥、干砂、水饱和砂等其内部摩擦阻力几乎为零。2. 5. 4夯实和冲击压实 夯实和冲击在原理上都是利用动能转化为冲击能来压实土壤，只是在冲程和频率上有所不同。夯实的冲程约为50-30mm，频率约为8-20Hz，冲击的冲程可高达数米，而频率则极低，为单个的脉冲。冲击压实的特征是巨大的动能在很短时间内转化为冲量，而形成瞬时作用的巨大冲击力，它可在土壤中产生很大剪切应力和法向应力，从而有效地克服勃性土壤的内聚力，压缩土体并排出土中的空气和水分。冲击能量所形成的冲击波可传至很深的深度，因而在压实深度上有很大的优势。此外，由于冲击作用的时间很短，往往在被压材料还来不及发生“流动”之前，冲击已经结束，因而可减少由土壤“流动”而导致的不稳定，可有效地用于对较高含水量的勃土和干砂的压实。由于冲击压力波较振动压力波能传至更深的层面，所以，冲击压实能获得最大的压实深度。2. 6振动压路机的工作原理 振动压路机是依靠自重和振动的联合作用来压实路基和路面材料，使被压实的材料具有足够的密实度。压实可以充分发挥路基和路面材料的强度，可以减少路基、路面在行车荷载下产生的变形，还可以增加路基和路面材料的透水性和强度稳定性。现在全世界的建筑工程都要求对土壤进行有效地压实，以便承受新建的高速公路、机场、海港、堤坝、铁路和建筑基础更大的负荷。由于振动压路机压实效果好，影响深度大，生产率高，而且适用于各种土壤的压实。因此振动压路机逐渐成为许多压实工作的标准设备和首选设备。2. 6. 1振动压实理论 振动技术已被广泛应用与压实作业，其基础理论研究尚有不同的学派。对土壤振动压实从理论上来阐述，可以归纳为以下的几种学说: 1)内部摩擦减小学说 内部摩擦减小学说可概括为:由于振动作用，使铺筑材料的内部摩擦急剧减少，剪切强度降低，抗压阻力变得很小，因而在重力作用下易于压实。 2)共振学说 振动压路机在工作时，当激振力频率与被压材料的固有频率一致时，振动压实最为有效。实践证明，共振效果是显著的，说明这一理论的正确性。然而，由于材料的固有频率在变化，要求激振器的频率作相应的变化是很困难的，但利用共振现象来进行压实就比较容易。 3)反复载荷学说 振动压路机在工作时，由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，而达到振动压实的效果。在低频率范围内，它具有一定的现实性，而在高频率范围内，并无充足的理论根据。实验表明，在高频率范围内，振动作用的效果远远超过反复荷载作用的效果。 4)土壤液化学说 在振动波的作用下，被压实材料的颗粒呈现高频受迫振动状态，其内部粘聚力和摩擦力急剧下降，使之仿佛处于流动状态，此即称之为“液化”现象。这种液化现象的出现，使材料颗粒之间的相互充填作用加强，并且由十受自重力的作用而向着低位能的方向流动，这就为压实创造了条件。第3章 路基土压实度检测试验及分析3. 1试验方案 为了验证压实度检测系统在运行中的稳定性、可靠性、准确性，以及技术方案的可行性，这里通过一系列的室内试验和现场试验对系统进行测试。 首先，在实验室内对系统自身的稳定性、准确性进行验证;其次，通过振动台试验验证仪器的数据采集功能是否完善;然后，去施工现场进行振动压路机加速度信号采集以及土壤压实试验;最后，再回到实验室做击实试验和利用数据分析处理软件对现场采集数据进行各种分析处理，进一步验证技术方案的可行性。 1)实验室试验 通过实验室试验对仪器本身进行检验和标定，其中包括静态标定和波形显示试验，通过静态标定试验来观